河北石湖金礦全尾砂膠結充填試驗研究

范文亮，劉龍瓊，趙 龍

（長春黃金研究院有限公司，吉林 長春 ）

河北石湖礦業有限公司（以下簡稱石湖公司）是具有采、選、冶綜合能力的黃金礦山企業，是中國黃金集團在原石湖金礦的基礎之上組建而成的下屬公司，2011年完成選礦廠改擴建工程，目前選礦生產能力已達700t/d。

隨著石湖公司礦體的開采完畢，下部礦體賦存條件、礦巖力學性質、穩固程度及礦石品位等較之上部礦體等都發生了較大變化，原留礦采礦法已越來越不適應礦體的變化，河北石湖公司在深部采用了上向水平分層充填采礦法。

1 尾砂的物理化學性質

尾砂是膠結充填的骨料，是膠結充填體的主要成分，分析其物理化學性質可以為膠結充填工藝的可靠性提供理論依據。

1.1 尾砂的物理化學性質

對石湖金礦的全尾砂進行比重、容重測試、化學成分分析，然后由測得的比重、容重得出全尾砂的孔隙率，最終得到的石湖金礦全尾砂的物理性質結果見表1。分析的化學成分主要有SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO、MgO、S、Cu、Au、Ag等，化學分析最終結果見表2。

表1 石湖全尾砂全尾砂物理性質

表2 石湖全尾砂化學成分分析

由表2可知，石湖全尾砂的化學成分中，除幾種主要氧化物外，各個組分相差不大，SiO2的含量較高，說明石湖公司的尾砂是一種比較好的惰性材料；并且其中含有一定的Al2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O成分，有利于膠結充填時水泥熟料活性的激發；P2O5、As2O3、SO3等有害成分不多，其溢流水對環境無有害影響。因此，石湖公司的全尾砂，是安全合格的井下充填材料。

1.2 尾砂的粒級組成

尾砂的粒級組成，采用篩分法與激光粒度分析法聯合測定的方式。首先用篩分法測定+37μm尾砂的粒徑分布，再用激光粒度分析儀測定-37μm尾砂的粒徑分布，然后聯合形成尾砂的粒級組成見表3、圖1。

表3 石湖全尾砂粒級組成表

圖1 石湖全尾砂粒度分布曲線

全尾砂粒度分析結果（表3）表明：河北石湖金礦尾砂-20 μm 顆粒含量為32.51%，滿足國內外尾砂充填通用的 -20 μ m 顆粒含量不小于 15%的要求。

在生產中常用不均勻系數α來表示顆粒級配均勻程度：

對石湖公式中：d60—表示比該物料尺寸小的物料占總重量的60%；

d10—表示比該物料尺寸小的物料占總重量的10%；

對全尾砂進行了加權平均粒徑計算，其結果為dp=0.085mm。d60=0.110mm，d30=0.016mm，d10=0.005mm（見圖1），按上述公式計算可得出：α60=22。當α60大于10，表明顆粒級配較好，不均勻，屬于不均勻物料。

1.3 尾砂的沉降試驗

通過全尾砂的自然沉降試驗了解指定充填濃度、不添加水泥充填膠凝材料情況下全尾砂的自然沉降速度，為后期管道自流輸送、井下空區的充填提供理論依據。

分析全尾砂沉降高度曲線圖2可以看出，在不同砂漿濃度情況下，全尾砂自然沉降速度較小，隨著時間的增長，沉降速度逐漸減小，最大沉降速度不超過0.70mm/min，對比其他充填的金屬礦山，此沉降速度屬于一般情況；同時，隨著尾砂漿體濃度的增加，全尾砂自然沉降速度逐漸減小，砂漿濃度達到60%時，最大沉降速度不超過0.50mm/min。

圖2 尾砂自然沉降曲線回歸擬合

用分析軟件對全尾砂自然沉降高度隨時間的變化規律進行回歸，可獲得如表4所示的沉降高度回歸方程。

表4 尾砂沉降高度回歸結果表

由上述回歸結果可知，全尾砂的自然沉降趨勢都符合對數函數規律，擬合效果較好，在現場可用以上公式對尾砂自然沉降規律進行預測，以確定砂漿合理的沉降時間和制定充填間隔時間。

3 全尾砂充填體膠結抗壓強度試驗

充填體力學參數試驗，試樣的制作采用建筑砂漿強度的標準進行制作，膠結劑選取的是膠骨粉凝膠材料。試樣制作相關要求及條件如下：試驗設計50%、55%、60%、65%充填料漿濃度；1:4、1:6、1:8、1:10四個灰砂比；試塊養護齡期為：7d、14d、28d三個養護齡期，養護方式均采用標準養護，充填體強度數據見表5。

表5 充填體單軸抗壓強度試驗數據表

將充填體強度與灰砂比、料漿濃度進行變量分析，觀察在一定灰砂比條件下，不同濃度砂漿充填體強度隨養護齡期的變化規律。如圖3至6所示，由表及圖分析如下。

圖3 灰砂比1：4抗壓強度隨養護齡期變化規律

圖4 灰砂比1：6抗壓強度隨養護齡期變化規律

圖5 灰砂比1：8抗壓強度隨養護齡期變化規律

圖6 灰砂比1：10抗壓強度隨養護齡期變化規律分析充

（1）對比以上圖表可以明顯看出：隨著灰砂比的減小，充填體強度增長逐漸減緩；而且在同一灰砂比條件下，隨著濃度增大，強度隨養護齡期的增長變化規律更為明顯。

膠結充填體在固化過程中，其單軸抗壓強度會隨養護齡期的增長逐步增長，在28天后強度增長將會逐漸緩慢至穩定。

（2）根據現階段測試結果， 1:10灰砂比65%質量濃度28d單軸抗壓強度可以達到0.9 MPa，并隨著灰砂比和濃度增長，充填體強度規律性增長。膠固粉充填體早強特點明顯，7d強度可達28d強度的60%左右，14d強度可達28d強度的80%左右。

（3）當養護齡期在前7d之內，曲線斜率變化最大，呈現明顯的增長趨勢，當養護齡期在7d-14d之間時，曲線斜率變化較大，呈現緩慢的增長趨勢，強度在14d-28d之間增長較慢，曲線較為平緩，曲線斜率變化不大，這種早強性是膠固粉區別于普通硅酸鹽水泥的最大特征，使充填體強度達到石湖金礦上向水平分層充填采礦法對早期強度的要求。

4 結論

（1）分析全尾砂的化學成分，SiO2、Al2O3的含量較高，P2O5、As2O3、SO3等有害成分，未超過相關國家標準。說明石湖公司的尾砂，是一種比較好的充填惰性材料，適用于井下充填。

（2）石湖全尾砂加權平均粒徑dp=0.085mm。d60=0.110mm，d30=0.016mm，d10=0.005mm，α60=22，表明顆粒級配較好，不均勻，屬于不均勻物料。

（3）全尾砂的自然沉降速度較小，最大沉降速度不超過0.70mm/min，自然沉降趨勢都符合對數函數規律。

（4）根據強度試驗檢測結果，1:10灰砂比65%質量濃度28d單軸抗壓強度可以達到0.9 MPa，膠固粉充填體早強特點明顯，7d強度可達28d強度的60%左右，是一種較為理想的膠凝材料。

（5）隨著灰砂比的增大，充填體強度逐漸增大；在同一灰砂比條件下，隨著濃度增大，強度隨養護齡期的增長變化規律更為明顯。膠結充填體在固化過程中，其單軸抗壓強度會隨養護齡期的增長逐步增長，在28天后強度增長將會逐漸緩慢至穩定。